Neuroner i den mänskliga hjärnan när de överför information mellan varandra. Vill du ha en karta över detta? Det kan ta ett tag. Se fler hjärnbilder. © iStockphoto.com/Kiyoshi Takahase Segundo Den mänskliga hjärnan är en knut av 100 miljarder neuroner och stödceller. Vi kan lagra en livstid av minnen där. Vi kan använda den för att skriva sonetter och bygga flygplan. Säker, en elefants hjärna är större, väger mer, och har fler neuroner, men elefanter saknar också våra förmågor. Fascinerad? Vetenskapsmän är det säkert. Det är en anledning till att de kartlägger den mänskliga hjärnan, ett omfattande projekt som kan ta decennier att slutföra.
Hjärnkartläggning försöker relatera hjärnans struktur till dess funktion, eller att hitta vilka delar som ger oss vissa förmågor. Till exempel, vilken aspekt av vår hjärna gör att vi kan vara kreativa eller logiska? Det här kallas lokalisering av funktion .
Vid kartläggning av hjärnans funktioner, forskare använder bildbehandling för att se hur hjärnan arbetar med olika uppgifter. Charles Wilson, en neurobiolog vid University of Texas i San Antonio, förklarar lokalisering av funktion på detta sätt:
Det finns en del av hjärnan som främst har att göra med syn och andra delar som främst har med ljud att göra. Nu, kan vi titta i visionavsnittet och säga, Finns det en speciell del av hjärnan som upptäcker röda föremål och en annan som upptäcker gröna föremål? Eller upptäcker samma område föremål i båda färgerna?Hjärnkartläggning ser också utifrån och in. Den undersöker hur vår miljö förändrar vår hjärnas struktur genom att studera, till exempel, hur hjärnan förändras fysiskt genom inlärnings- och åldringsprocesser. Hjärnkartläggning undersöker också vad som går fel fysiskt i hjärnan vid psykiska sjukdomar och andra hjärnsjukdomar.
Till sist, hjärnkartläggning syftar till att ge oss en grundlig bild av vår hjärnas struktur. Google Earth visar oss satellitbilder av vår planet och zoomar in till kontinenter, länder, stater, städer, motorvägar, gator och byggnader. En fullständig strukturell karta över vår hjärna kan vara liknande. Det kan visa oss hela vår hjärna; alla regioner, funktionella lober, specialiserade centra, tjocka neuron "buntar" som förbinder hjärndelar, neuronkretsar, enda neuroner, korsningar mellan neuroner och slutligen, neuron delar. Forskare utvecklar fortfarande de delar som kan bilda denna massiva karta.
Hjärnkartläggning är en samling av många olika verktyg. Forskare måste samla bilder av hjärnan, förvandla dessa bilder till data, och sedan använda dessa data för att analysera vad som händer i hjärnan när den utvecklas.
Läs vidare för att lära dig hur forskare kartlägger hjärnan.
Innehåll
Vi har kommit långt från detta. Mark Strozier/© istockphoto.com Forskare använder många metoder för att studera hjärnans struktur och funktion. De tar bilder av friska hjärnor och jämför dem med sjuka hjärnor. Dessutom, de undersöker hjärnor tagna från människor, primater och små däggdjur och försöka förstå hur ryggradslösa djur mindre nervsystem fungerar. På en mikroskopisk nivå, de undersöker också neuroner.
Här är några verktyg som används vid hjärnkartläggning. Dessa tekniker tar bilder av hjärnan:
Dessa tekniker undersöker hjärnaktivitet:
Nya metoder gör det möjligt för forskare att se alla samband mellan neuroner i en intakt hjärna. Denna gren av studier kallas connectomics. "Kopplingsschema" för en hjärna kallas a ansluta [källa:Lichtman]. "Tills nyligen, vi har inte haft något hopp om att få dessa kopplingsscheman, "säger Jeff Lichtman, en Harvard -biolog som ledde gruppen som utvecklat några av de nya teknikerna. "Vi kunde se enskilda celler, men aldrig alla samtidigt. "
Brainbow märkte neuronerna i denna transgena mushjärna med cirka 90 olika färgkombinationer. Stringer/Getty Images/AFP En sådan teknik, känd som Hjärnbåge , märker varje neuron i ett levande djurs hjärna en annan färg. Genom att skapa bilder av djurets hjärna, forskare kan se var och hur neuroner ansluter till varandra. När djuret växer och åldras, de kan också se hur neuronerna ändrar anslutningar.
En annan teknik använder ATLUM, eller automatisk banduppsamlingssvarv ultramikrotom . Denna maskin läser kopplingsschemat för en hjärna. "Vi gör något som liknar ett äpple, "förklarar Lichtman." Vi rakar i huvudsak av ett spiralsnitt när vi roterar hjärnan på en svarv och lägger detta band av vävnad på ett band. Vi kommer så småningom att få ett enormt långt band, som i huvudsak är hela hjärnan. Med hjälp av ett elektronmikroskop, vi kommer att avbilda det för att se ledningens struktur. "
Än så länge, Brainbow och ATLUM används endast för att studera djur med relativt små hjärnor, som möss.
Så, vad är poängen? Vad, om något, kan kartläggning åstadkomma? Lär dig vad vi kan lära av att kartlägga den mänskliga hjärnan på nästa sida.
Kan en phMRI studera smärta?I en studie vid Storbritanniens Oxford Center for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain, forskare tog bilder av patienternas hjärnor när deras hud brändes och när patienterna fick ökande doser smärtstillande medel. Smärtcentra i patienternas hjärnor blev mindre aktiva när läkemedelsdoserna ökade. Detta enkla mått på ett läkemedels effekt i hjärnan kan så småningom användas för att testa psykiatriska läkemedel [källa:Matthews].
Varför skulle forskare ta på sig den svåra uppgiften att kartlägga hjärnan? Svaret är enkelt, säger Lichtman:att förstå våra hjärnor mer intimt. Vi har aldrig sett ett diagram över hur alla neuroner i hjärnan ansluter. Som Jeff Lichtman uttrycker det, "Mycket av vårt tänkande om hjärnan bygger på ofullständig kunskap om vad som faktiskt finns där. Så vi skulle vilja se vad som faktiskt finns där."
Hjärnans kopplingsschema kan hjälpa oss att bättre förstå hur vi lär oss och anpassar oss, säger Lichtman. "Vi börjar bli mindre väl anpassade till vår miljö än något annat djur. När vi är vuxna, vi kan använda verktyg som vårt genetiska arv omöjligt kunde ha lärt vårt nervsystem att använda - som iPods. Inget annat djur kan göra det. Under vår utveckling, vi måste koppla in oss själva för att [kunna] använda dessa maskiner. "
Hjärnkartläggning är också praktisk för läkare. Neurokirurger använder hjärnkartläggning för att planera säkrare operationer. En behandling för epilepsi, till exempel, tar bort den drabbade delen av hjärnan. Med funktionell MR och EEG, kirurger kan lokalisera anfallscentralen i patientens hjärna - liksom områden som är aktiva under tal och rörelse - ner till millimetern. Dessa bilder berättar för läkare vad de ska lämna och vad de ska klippa ut.
Hjärnbildning används inte bara vid behandling. Det används för att diagnostisera neurodegenerativa sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers [källa:Wilson]. Med hjälp av märkningstekniker som PET, läkare letar efter droppar i vissa hjärnkemikalier, eller de kan använda MR för att undersöka krympningar i områden som visar vävnadsförlust. Över tid, läkare kan kartlägga hur hjärnan ser ut när sjukdomar utvecklas eller när behandlingar fungerar [källa:Institute for Neurodegenerative Disorders].
Utvecklingsstörningar som autism kan ha en strukturell grund i hjärnan. Lichtman påpekar att autism anses innebära en rad felaktiga samband mellan neuroner. Genom att applicera Brainbow på en mus med autism, forskare kan se kopplingsschemat utvecklas för att ta reda på hur, när och om ledningarna går fel.
Forskare har också försökt illustrera effekterna av olika psykiska sjukdomar i hjärnan, med viss framgång. Hjärnbildning på dessa patienter avslöjade strukturella abnormiteter. Till exempel, strukturell MR har visat att schizofrena patienter tappar materia i timlig och prefrontal cortex över tid [Källa:Rapoport]. Dessa fynd har ännu inte lett till behandlingar.
Panikångest, bipolär sjukdom, depression, ångest, ätstörningar och mer undersöks med hjälp av olika tekniker för hjärnbildning, men hur tolkar vi forskarnas resultat? Mer viktigt, var kan vi se dem? Ta reda på det på nästa sida.
Sarcasm Mapped. Medvetande fortfarande svårfångat.Läkare och forskare har lärt sig mer av hjärnkartläggning än den här artikeln kan täcka. Här är två höjdpunkter:
Microsofts grundare Paul G. Allen lovar färdigställandet av Allen Brain Atlas på Capitol Hill i september 2006. Projektet studerar uttryck av gener i mushjärnor. Mark Wilson/Getty Images Nyheter Neuroinformatik placerar all data vi har på hjärnan på Internet i användbar form. Uppgifterna inkluderar bilder, modeller av neuronbeteende och kartor över gener som är "påslagna" i olika hjärnregioner. Genom att göra data delbar och sökbar, hjärnforskare kan ta avstånd från varandras studier och upptäcka mer.
Ingenjörer skriver programvara för att hjälpa hjärnforskare att dela och jämföra data. Programvara analyserar nu, till exempel, huruvida MR -skivor hos Alzheimers patienter med olika hjärnstorlekar och former har liknande hjärnfunktioner. Är män med en viss hjärnarkitektur utsatta för bipolär sjukdom? Den här frågan, och många andra, kan en dag besvaras av datorprogram som omanalyserar bilder av tidigare patienter snarare än genom att studera nya.
Här är exempel på hjärnatlaser som forskare kan gruva för svar:
Bilder är inte den enda informationskällan. Här är exempel på databaser som hjärnforskare använder:
Nu när vi kan kartlägga den mänskliga hjärnan, hur långt har vi kommit? Är vi klara ännu? Är vi ens nära? Ta reda på det på nästa sida.
En kvinna undersöker en utställning i Dresden, Tyskland, visar de neurobiologiska processerna i den mänskliga hjärnan. Kan vi så småningom kartlägga känslor som lycka? Norbert Millauer/DDP Efter att ha avbildat hjärnan hos befolkningar som är tillräckligt stora för att generera statistik, forskare har gjort sofistikerade hjärnkartor. Det finns kartor för att illustrera var vi tappar hjärnvolymen när vi åldras, allt eftersom aids fortskrider och när vi använder metamfetamin.
Hur skulle en komplett karta över den mänskliga hjärnan se ut? Det beror på dina intressen. Om du törstar efter att känna till hjärnans struktur, du kanske vill se den hypotetiska versionen av Google Earth som kan börja med en bild av vår cortex och zooma in till neuron nummer 888, 898, 432, 857.
Detta komplett, Google Earth -typ av karta har fastnat på många punkter. En sådan punkt är avbildningen av alla mänskliga hjärnans neuroner och deras anslutningar. Även att få dessa data i musen är noggrann, säger Harvardbiologen Jeff Lichtman. I takt med ATLUM och ett elektronmikroskop fungerar nu, att få en karta över alla sammankopplade neuroner i mushjärnan skulle ta 200, 000 veckor, Lichtman uppskattar. Data skulle vara "större än all data på Internet - större än all data på alla bibliotek i världen, "säger han." För tillfället, den typ av lagring som är möjlig på datorer är inte helt upp till uppgiften. "Den enda" hjärnan "som vi har en fullständig karta över sammanlänkande neuroner tillhör C. elegans , "en mask som är en millimeter lång och har 300 nervceller, säger Lichtman.
På nytt, din definition av en komplett hjärnkarta beror på dina intressen. Om du är neuropsykiatriker, till exempel, en komplett karta över hjärnan kan vara en time-lapse-bild som visar hur bipolär sjukdom utvecklas i hjärnan från födseln till det första symptomet och vad litium gör för att stoppa processen.
Det kanske inte räcker för dig. Du kanske vill veta funktionen av hjärnans varenda tum. Tyvärr, det är omöjligt. Vi kan inte fånga funktioner som händer för snabbt eller för långsamt, säger neurobiologen Charles Wilson. Andra processer tar livet ut. Ingen bildstudie har följt någon från födsel till död. "Ingen metod som vi känner till handtag varje gång av intresse. Ingen metod vi känner till hanterar mer än en liten bit av den, "säger Wilson. Vid det här laget, Lichtman säger att det inte pågår något arbete för att integrera alla dessa kartor i en.
Men det finns ingen grundläggande anledning till att vi så småningom inte kan ha några - eller alla - av dessa kartor, säger Wilson. "Problemen är alla praktiska tekniska problem som kan övervinnas. Som med alla kartor, om du börjar med en rå karta, det är bättre än ingen karta. Och du behöver inte en ny karta. Du lägger bara till information på den gamla kartan för att göra den mer förfinad. Vi kommer inte att vakna upp en dag och ha det här. Vi ska lägga till lite idag, lite imorgon, och någon gång, vi kommer att säga, 'Wow, det här börjar se ganska bra ut. '"
För mer information om processen för hjärnkartläggning, ta en titt på nästa sida.
Du använder alltDet är en myt att vi bara använder 10 procent av våra hjärnor. Vi använder allt. Hjärnbilder har kollektivt dokumenterat aktivitet i alla delar. Vad mer, skador på ett litet område kan utplåna stora förmågor. Läs mer om hjärnmyt om 10 procent på professor Eric Chudlers webbplats vid University of Washington.
Hälsa Allergi Grunderna Inget att nysa på:Allergier kan påverka hjärnan Hälsa Hjärna och centrala nervsystemet Vad är den yttre hjärnan? Hälsa Hjärna och centrala nervsystemet Kan hjärnmat göra dig smartare? Hälsa Hjärna och centrala nervsystemet Testa din hjärna Hjärnan och nervsystemet:Kroppens kommandocenter HälsaBrain och centrala nervsystemet Är tonårens hjärnor fullt utvecklade? Donera din hjärna till ScienceHealthBrain och Centrala nervsystemetBrain och Centrala nervsystemetHälsaBrain &Centrala nervsystemet Cerebellum är kroppens lilla hjärna och deras hjärnor, ExtraordinaryHealthDreams Hur förvandlar hjärnan verkligheten till drömmar? HealthDrugs &AlcoholWeed Entusiast Arrested for Keeping Human Brain Under His Verand SpecialisterHälsaNeurologiska tillstånd När vishet och ordspel är symtom på hjärnskadorHälsaNeurologiska tillstånd Agitation och depression hos patienter med hjärnsjukdomHälsaNeurologiska tillståndTotalt döv? Problemet är i din hjärna, Inte dina öronHälsaModerna medicinska behandlingarGroovy News:Shrooms hjälper till att återställa deprimerad hjärnaHälsaFörebyggande vårdHur man kan förebygga hjärninfektionerHälsa Andningstillstånd Orsakar höjdsjukdom hjärnsvullnad? TooHealthStress Management Effekt av stress på hjärnan HealthStress Management Isolering och monotoni Stressar hjärnan. Så här hanterar du hälsaTenårshälsa Vissa ungdomars hjärnor kan inte sluta spela. Det är bra och dåligt - här är varförHälsoviktförlust Är ett hormon i våra hjärnor nyckeln till att bränna fett? HealthWomen's General HealthWomen's Brains hårdare drabbade av alkohol VetenskapBiologiska fältHur tar en slemform beslut utan hjärna? Vetenskapsmotioner Finns moral i hjärnan? Vetenskapsmotion Är känslomässig intelligens en bättre indikator på hjärnhälsa än IQ? Vetenskap Vardagliga myter Kan våra hjärnor se den fjärde dimensionen? Vetenskapsutveckling Har schizofreni utvecklats tillsammans med våra hjärnor? Vetenskap Människan BrainHur din hjärna fungerarScienceThe Human BrainHow Brain Death WorksScienceThe Human BrainHow Brain Mapping WorksScienceThe Human BrainÄr tonårshjärnor verkligen annorlunda än vuxna hjärnor? ScienceThe Human Brain Varför är människors hjärnor i olika storlekar? saker jag inte behöver? Vetenskap Den mänskliga hjärnan Hur Albert Einsteins hjärna fungerade Vetenskap Människans hjärna Är hjärnan kopplad till religion? Vetenskap Den mänskliga hjärnan Blir din hjärna trött som resten av din kropp? Vetenskap Den mänskliga hjärnan Kan hjärnskador leda till extraordinär konst? Vetenskap nHur djup hjärnstimulering fungerar Vetenskap Människohjärnan Är datorn en bra modell för hjärnan? Vetenskap Människans hjärna Kan en hjärnskanning berätta om du ska bli kriminell? Vetenskap Den mänskliga hjärnan Använder du verkligen bara 10 procent av din hjärna? ScienceThe Human BrainDo män och kvinnor har olika hjärnor? ScienceThe Human BrainNeandertalare hade större hjärnor än moderna människor - varför är vi smartare? ScienceThe Human BrainThe Human Brain är fastkopplad för PoetryScienceThe Human BrainFörstå? Dina hjärnsignaler kommer att berätta för vetenskapen Den mänskliga hjärnan Ja, Konspirationsteoretikernas hjärnor är verkligen annorlunda Vetenskap Människohjärnan Kan din hjärna ha ett trafikstockning? Vetenskapen Människans hjärna Att lita på GPS förhindrar att delar av din hjärna aktiverasScience Människans hjärna 'Aleppo -ögonblick':Vad får våra hjärnor att frysa under tryck? Vetenskap Människans hjärna Människans hjärna Mänsklig hjärnaHur hjärntvätt fungerarVetenskapDen mänskliga hjärnanHur påverkar din hjärna dina överlevnadschanser i vildmarken? VetenskapMänsklig hjärnaBinaurala slag:Låter denna hörsel illusion verkligen din hjärna? VetenskapMänsklig hjärnaHur skapar hjärnan en oavbruten syn på världen? UnderhållningBrain GamesHur Lumosity Brain Games WorkUnderhållningBrain GamesTränar jonglering med din hjärna? UnderhållningBrain GamesBrain Games
